Forschung in der Radiochemie: Aquatische Chemie der Actiniden

Unter radioökologischem Gesichtspunkt ist der wassergetragene Transport der Actiniden/Radionuklide dominierend. Dieser kann gelöst oder partikulär/kolloidal erfolgen.

Die Kenntnis der physikalisch-chemischen Eigenschaften der Radionuklide/Actiniden in wässrigen Systemen ist daher von grundlegender Bedeutung für alle weiteren Schritte zur Prognose ihrer Mobilität in der Geo- und Biosphäre. Insbesondere Actiniden sind in wässrigen Systemen in einer Reihe von verschiedenen Oxidationsstufen stabil. Sie bilden eine breite Palette von Komplexen mit anorganischen und organischen Liganden. Der relevante Konzentrationsbereich, in der Regel durch die sehr geringe Löslichkeit der Actiniden limitiert, liegt im submicromolaren, zum Teil im subnanomolaren Bereich. Das hat zur Folge, dass verfügbare Datenbasen große Lücken und Unsicherheiten aufweisen, vor allem für die unter natürlichen (reduzierenden) Bedingungen stabilen, niederen Oxidationsstufen. Die größten Defizite bestehen für die tetravalenten Actiniden.

Daraus leitet sich der Forschungsschwerpunkt ab, die Wechselwirkungen von Actiniden in unterschiedlichen Wertigkeitsstufen mit anorganischen Liganden, mit Huminsäuren und anderen ubiquitären, natürlichen Organika, wie Lignin- und Zelluloseabbauprodukten, aber auch mit Bioliganden wie Sacchariden, Peptiden und Proteinen aufzuklären.

Für die Untersuchungen der Komplexierung von Actiniden durch Huminisäuren werden chemisch stabile, huminsäureanaloge Modellverbindungen mit unterschiedlich dominierenden funktionellen Eigenschaften entwickelt. Zur effektiven 13C- und 14C-Markierung organischer Moleküle werden neue Synthesestrategien entwickelt.

Forschungsschwerpunkt ist es, durch die Anwendung hochempfindlicher spektroskopischer Speziationsmethoden (Laserspektroskopie, Röntgenabsorptionsspektroskopie mit Synchrotronstrahlung, Infrarotspektroskopie am Freie - Elektronen Laser) Komplexierungsreaktionen der Actiniden mit den umweltrelevanten Liganden aufzuklären. Dazu ist es notwendig, die Struktur der Komplexe, ihre Löslichkeit und die Kinetik ihrer Bildung zu bestimmen und die entsprechenden Komplexbildungskonstanten zu ermitteln und dadurch Lücken in den thermodynamischen Datenbanken zu schließen. Diese Daten sind eine entscheidende Voraussetzung um Aussagen zur Langzeitsicherheit von nuklearen Endlagern und erfolgter Sanierungsvorhaben der Altlasten des Uranerzbergbaus zu treffen.

Die erzielten Forschungsergebnisse fließen in wesentlichem Maße in die anderen Forschungsvorhaben (Wechselwirkung von Actiniden mit Festphasen und Biosystemen und Reaktiver Transport) ein und sind in nationale und EU-Projekte integriert. Bestandteil dieses Forschungsvorhabens ist gleichfalls die Anwendung und wissenschaftlich-methodische Weiterentwicklung insbesondere der laserspektroskopischen Verfahren und der röntgenabsorptionsspektroskopischen Verfahren an der Beamline ROBL des FZD an der ESRF in Grenoble.

Mittelfristige Aufgaben und Leistungsziele

Mittelfristige Aufgabe und Ziel ist es, die Koordinations- und Strukturchemie von ausgewählten anorganischen und organischen Actinidenkomplexen insbesondere des Urans, Neptuniums, Plutoniums und Curiums in den stabilen und niederwertigen Oxidationsstufen aufzuklären, die Bildungskinetik zu verfolgen, die Löslichkeiten zu ermitteln und die entsprechenden Komplexstabilitätskonstanten zu bestimmen. Die Daten bilden eine wichtige Voraussetzung zur Prognose der Mobilität von Actiniden, ausgehend von den unterschiedlichen Quelltermszenarien, innerhalb nuklearer Endlager und radioaktiv kontaminierter Gebiete sowohl vor, als auch nach erfolgter Sanierung.

Die innovative Weiterentwicklung der nicht-invasiven Methoden der Laser- und Röntgenabsorptionsspektroskopie zur simultanen Bestimmung von wässrigen Actinidenkomplexen in unterschiedlichen Oxidationsstufen verbunden mit der Verbesserung der Auswertemethoden ist dafür unabdingbar.